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CN109752691B - 一种分布式基阵联合定位方法 - Google Patents

一种分布式基阵联合定位方法 Download PDF

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CN109752691B
CN109752691B CN201811525797.1A CN201811525797A CN109752691B CN 109752691 B CN109752691 B CN 109752691B CN 201811525797 A CN201811525797 A CN 201811525797A CN 109752691 B CN109752691 B CN 109752691B
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CN
China
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azimuth
theta
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abscissa
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陈韶华
王志刚
张利
王维
付继伟
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710th Research Institute of CSIC
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710th Research Institute of CSIC
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  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明提供一种分布式基阵联合定位方法，首先分别获取各潜标基阵对舰船目标在同一时刻的方位角序列，各个方位角直线两两交叉定位得到若干个交点，获取这些交点的方差，对各交点的方差与交点的坐标进行数据融合处理，得到舰船目标的高精度位置估计，有效提高较远距离目标的定位精度，解决了单个潜标基阵对较远距离目标定位精度很低的问题，本发明的定位精度也高于各潜标基阵两两交叉定位的定位精度，为水下多目标的探测定位打下基础。

Description

一种分布式基阵联合定位方法
技术领域
本发明属于水声信号处理与水下目标定位技术领域，尤其涉及一种分布式基阵联合定位方法。
背景技术
现有潜标基阵对目标定位技术研究的都是单基阵定位，由于受限于潜标平台尺度和布放深度，对水下目标只能测向不能测距。对于水面目标，已知潜标平台深度，估计目标俯仰角与方位角后，可以实现对目标定位。但由于俯仰角估计误差随俯仰角增大而增大，当俯仰角达到70°即目标水平距离大于基阵深度的2.75倍后，俯仰角误差很大以至于定位结果误差也很大。因此，现有单个潜标平台对较远距离目标定位精度很低，从而影响了潜标平台的监测效果。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种分布式基阵联合定位方法，能够得到舰船目标的高精度位置估计，有效提高较远距离目标的定位精度。
一种分布式基阵联合定位方法，包括以下步骤：
三个以上的潜标基阵，获取多个时刻的舰船目标的辐射噪声，然后根据所述辐射噪声分别获取各自相对于舰船目标的方位角序列{θi(n)}，其中，潜标基阵的个数用M来表示，i＝1,2,3…,M，n＝1,2,…,N，N为方位角序列的长度；
获取由各潜标基阵对应的方位角序列拟合得到的方位角直线，其中，M个潜标基阵的方位角直线两两相交，得到
Figure GDA0003810260570000011
个交点；
获取各交点横坐标的方差
Figure GDA0003810260570000021
与纵坐标的方差
Figure GDA0003810260570000022
其中，
Figure GDA0003810260570000023
获取舰船目标的位置坐标，其中，舰船目标的横坐标的获取方法为：分别获取各交点横坐标的方差的倒数与自身横坐标值的乘积，所得乘积再求和，所得和值再除以各交点横坐标的方差的倒数之和；舰船目标的纵坐标的获取方法为：分别获取各交点纵坐标的方差的倒数与自身纵坐标值的乘积，所得乘积再求和，所得和值再除以各交点纵坐标的方差的倒数之和。
进一步的，任意一个所述交点横坐标的方差
Figure GDA0003810260570000024
与纵坐标的方差
Figure GDA0003810260570000025
的获取方法具体为：
获取交点j的坐标(xi,xj)，其中，xj为横坐标，yj为纵坐标；
将交点所在的两条方位角直线对应的方位角序列分别记为{θt(n)}与{θk(n)}；
获取方位角序列{θt(n)}与{θk(n)}对应的方位角方差
Figure GDA0003810260570000026
与
Figure GDA0003810260570000027
根据所述方位角方差
Figure GDA0003810260570000028
与
Figure GDA0003810260570000029
交点的坐标确定交点横坐标的方差
Figure GDA00038102605700000210
与纵坐标的方差
Figure GDA00038102605700000211
具体的：
Figure GDA00038102605700000212
Figure GDA00038102605700000213
其中，θt为方位角序列{θt(n)}中的第N个方位角θt(N)，θk为方位角序列{θk(n)}中的第N个方位角θt(N)。
进一步的，所述方位角序列{θt(n)}对应的方位角方差
Figure GDA00038102605700000214
的获取方法具体为：
令n从2遍历到N，通过下列三个公式逐点迭代计算方位角方差：
Figure GDA0003810260570000031
Figure GDA0003810260570000032
Figure GDA0003810260570000033
其中，α为预设参数，取值范围为0到1之间的值，且α越小，输出的方位角方差
Figure GDA0003810260570000034
越平滑，
Figure GDA0003810260570000035
与
Figure GDA0003810260570000036
的初值为远小于1的正数；
将第N个方位角θt(N)对应的方差
Figure GDA0003810260570000037
作为方位角序列{θt(n)}对应的方位角方差
Figure GDA0003810260570000038
有益效果：
本发明提供一种分布式基阵联合定位方法，首先分别获取各潜标基阵对舰船目标在同一时刻的方位角序列，各个方位角直线两两交叉定位得到若干个交点，获取这些交点的方差，对各交点的方差与交点的坐标进行数据融合处理，得到舰船目标的高精度位置估计，有效提高较远距离目标的定位精度，解决了单个潜标基阵对较远距离目标定位精度很低的问题，本发明的定位精度也高于各潜标基阵两两交叉定位的定位精度，为水下多目标的探测定位打下基础。
附图说明
图1为本发明提供的一种分布式基阵联合定位方法的流程图；
图2为本发明提供的三潜标基阵的位置坐标示意图；
图3为本发明提供的1#潜标基阵获取的舰船目标的方位角序列示意图；
图4为本发明提供的2#潜标基阵获取的舰船目标的方位角序列示意图；
图5为本发明提供的3#潜标基阵获取的舰船目标的方位角序列示意图；
图6为现有技术中三潜标基阵两两交叉定位结果的示意图；
图7为本发明提供的三潜标基阵融合定位结果的示意图；
图8为现有技术中三潜标基阵两两交叉定位结果与本发明三潜标基阵融合定位结果的误差比较示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例一
参见图1，该图为本实施例提供的一种分布式基阵联合定位方法的流程图。
一种分布式基阵联合定位方法，包括以下步骤：
S1：三个以上的潜标基阵，获取多个时刻的舰船目标的辐射噪声，然后根据所述辐射噪声分别获取各自相对于舰船目标的方位角序列{θi(n)}，其中，潜标基阵的个数用M来表示，i＝1,2,3…,M，n＝1,2,…,N，N为方位角序列的长度；
S2：获取由各潜标基阵对应的方位角序列拟合得到方位角直线，其中，M个潜标基阵的方位角直线两两相交，得到
Figure GDA0003810260570000041
个交点；
S3：获取各交点横坐标的方差
Figure GDA0003810260570000042
与纵坐标的方差
Figure GDA0003810260570000043
其中，
Figure GDA0003810260570000044
S4：获取舰船目标的位置坐标，其中，舰船目标的横坐标的获取方法为：分别获取各交点横坐标的方差的倒数与自身横坐标值的乘积，所得乘积再求和，所得和值再除以各交点横坐标的方差的倒数之和；舰船目标的纵坐标的获取方法为：分别获取各交点纵坐标的方差的倒数与自身纵坐标值的乘积，所得乘积再求和，所得和值再除以各交点纵坐标的方差的倒数之和。
具体的，舰船目标的位置坐标(x0,y0)的计算公式如下：
Figure GDA0003810260570000051
其中，
Figure GDA0003810260570000052
分别为
Figure GDA0003810260570000053
个交点的横坐标，
Figure GDA0003810260570000054
分别为
Figure GDA0003810260570000055
个交点横坐标的方差，
Figure GDA0003810260570000056
分别为
Figure GDA0003810260570000057
个交点的纵坐标，
Figure GDA0003810260570000058
分别为
Figure GDA0003810260570000059
个交点的纵坐标的方差。
进一步的，步骤S3中任意一个所述交点横坐标的方差
Figure GDA00038102605700000510
与纵坐标的方差
Figure GDA00038102605700000511
的获取方法具体为：
获取交点j的坐标(xi,xj)，其中，xj为横坐标，yj为纵坐标；
将交点所在的两条方位角直线对应的方位角序列分别记为{θt(n)}与{θk(n)}；
获取方位角序列{θt(n)}与{θk(n)}对应的方位角方差
Figure GDA00038102605700000512
与
Figure GDA00038102605700000513
根据所述方位角方差
Figure GDA00038102605700000514
与
Figure GDA00038102605700000515
交点的坐标确定交点横坐标的方差
Figure GDA00038102605700000516
与纵坐标的方差
Figure GDA00038102605700000517
具体的：
Figure GDA00038102605700000518
Figure GDA00038102605700000519
其中，θt为方位角序列{θt(n)}中的第N个方位角θt(N)，θk为方位角序列{θk(n)}中的第N个方位角θt(N)。
需要说明的是，交点j的坐标(xi,xj)的计算如下：
Figure GDA00038102605700000520
其中，ct＝xtsinθt-ytcosθt，ck＝xksinθk-ykcosθk，(xt,yt)为方位角序列{θt(n)}对应的第t个潜标基阵的坐标，(xk,yk)为方位角序列{θk(n)}对应的第k个潜标基阵的坐标，且t＝1,2,3…,M，k＝1,2,3…,M；θt为方位角序列{θt(n)}中的第N个方位角θt(N)，θk为方位角序列{θk(n)}中的第N个方位角θk(N)。
进一步的，所述方位角序列{θt(n)}对应的方位角方差
Figure GDA0003810260570000061
的获取方法具体为：
令n从2遍历到N，通过下列三个公式逐点迭代计算方位角方差：
Figure GDA0003810260570000062
Figure GDA0003810260570000063
Figure GDA0003810260570000064
其中，α为预设参数，取值范围为0到1之间的值，且α越小，输出的方位角方差
Figure GDA0003810260570000065
越平滑，
Figure GDA0003810260570000066
与
Figure GDA0003810260570000067
的初值为远小于1的正数；
将第N个方位角θt(N)对应的方差
Figure GDA0003810260570000068
作为方位角序列{θt(n)}对应的方位角方差
Figure GDA0003810260570000069
需要说明的是，由于第N个方位角θt(N)对应的方差
Figure GDA00038102605700000610
是通过前面N-1个方位角对应的方差迭代计算得到的，因此将第N个方位角θt(N)对应的方差
Figure GDA00038102605700000611
作为方位角序列{θt(n)}对应的方位角方差
Figure GDA00038102605700000612
精度最高。
同理，所述方位角序列{θk(n)}应的方位角方差
Figure GDA00038102605700000613
也可以通过上述获取方法计算得到，本实施例对此不作赘述。
实施例二
基于以上实施例，本实施例以3潜标基阵联合定位为例，对一种分布式基阵联合定位方法的实施步骤进行详细说明。
1)获取各潜标基阵相对于舰船目标的方位角序列
参见图2，该图为本实施例提供的三潜标基阵的位置坐标示意图。如图2所示，在xoy坐标系中，三个潜标基阵的坐标分别为S1(x1,y1)、S2(x2,y2)与S3(x3,y3)。三个潜标基阵采用时延估计法，通过舰船目标辐射噪声来获取舰船目标的方位角序列，分别为{θ1(n)}、{θ2(n)}与{θ3(n)}，n＝1,…,N，N表示估计的方位角序列的长度。
需要说明的是，各潜标基阵至少包括三个水听器，则至少九个水听器安装在三个潜标平台的头部，构成三个平面阵；此外，方位角序列的长度即为采样时刻的数量，方位角序列由N个方位角构成，表示潜标基阵在N个采样时刻分别采用了时延估计法，通过舰船目标的辐射噪声获取了一个舰船目标的方位角。
2)获取各潜标基阵方位角序列对应的方位角方差
对S1基阵估计的方位角序列{θ1(n)}，通过下列三个公式逐点计算方位角方差：
Figure GDA0003810260570000071
Figure GDA0003810260570000072
Figure GDA0003810260570000073
其中，n＝2,…,N，α取0-1之间的值，α越小，输出方差
Figure GDA0003810260570000074
越平滑。
Figure GDA0003810260570000075
与
Figure GDA0003810260570000076
这两个初值取远小于1的正数，如0.00001。
将第N个方位角θt(N)对应的方差
Figure GDA0003810260570000077
作为方位角序列{θt(n)}对应的方位角方差
Figure GDA0003810260570000078
同理，可得到S2潜标基阵与S3潜标基阵的方位角方差
Figure GDA0003810260570000079
与
Figure GDA00038102605700000710
3)计算各潜标基阵方位角直线之间两两交叉得到的交叉点的坐标
由图2可知，A点所在的两条方位角直线对应的潜标基阵S2和S3，B点所在的两条方位角直线对应的潜标基阵S1和S3，C点所在的两条方位角直线对应的潜标基阵S1和S2。
根据S1(x1,y1)、S2(x2,y2)与S3(x3,y3)三潜标基阵的坐标与方位角θ1(N)、θ2(N)与θ3(N)，可得方位角直线两两相交的三个点A、B与C的坐标为
Figure GDA0003810260570000081
式中，ci＝xi sinθi-yicosθi，i＝1、2、3。其中，为了公式简洁，将方位角θ1(N)、θ2(N)以及θ3(N)分别表示为方位角θ1、θ2以及θ3。
4)计算各交叉点横纵坐标的方差
A点坐标(xA,yA)的方差计算如下
Figure GDA0003810260570000082
Figure GDA0003810260570000083
其中，
Figure GDA0003810260570000084
Figure GDA0003810260570000085
Figure GDA0003810260570000086
Figure GDA0003810260570000091
B点坐标(xB,yB)的方差计算如下
Figure GDA0003810260570000092
Figure GDA0003810260570000093
其中，
Figure GDA0003810260570000094
Figure GDA0003810260570000095
Figure GDA0003810260570000096
Figure GDA0003810260570000097
C点坐标(xC,yC)的方差计算如下
Figure GDA0003810260570000098
Figure GDA0003810260570000099
其中，
Figure GDA00038102605700000910
Figure GDA00038102605700000911
Figure GDA00038102605700000912
Figure GDA0003810260570000101
5)数据融合得到舰船目标的位置坐标
舰船目标的横坐标的获取方法为：各交点横坐标的方差的倒数与对应的横坐标加权求和，再除以各交点横坐标的方差的倒数；舰船目标的纵坐标的获取方法为：各交点纵坐标的方差的倒数与对应的纵坐标加权求和，再除以各交点纵坐标的方差的倒数；具体的：
Figure GDA0003810260570000102
其中，(x0,y0)是本实施例获得的舰船目标的位置坐标。
参见图3～图5，分别为本实施例提供的1#～3#潜标基阵获取的舰船目标的方位角序列示意图。由图3～图5可知，1#～3#潜标基阵采用时延估计法获取的方位角，与仿真实验中设定的舰船目标的方位角的实际值相比，具有良好的跟踪效果。
参见图6，该图为现有技术中三潜标基阵两两交叉定位结果的示意图。由图6可知，仅有任意两个潜标基阵所在的方位角直线进行的定位，同一组潜标基阵在不同时刻获取的定位结果、以及不同组潜标基阵在同一时刻获取的定位结果都相差较大，也就是说，如果仅仅采用两个潜标基阵所在的方位角直线进行的定位，得到的定位结果误差较大，不符合定位的精度要求。
参见图7，该图为本发明提供的三潜标基阵融合定位结果的示意图。由图7可知，本实施例提供的一种分布式基阵联合定位方法，得到的融合航迹对仿真实验中设定的舰船目标的航迹进行了良好的跟踪。同时，进一步参见图8，该图为现有技术中三潜标基阵两两交叉定位结果与本发明三潜标基阵融合定位结果的误差比较示意图。由图8可知，本实施例的一种分布式基阵联合定位方法，定位精度明显优于现有技术中三潜标基阵两两交叉的定位方法。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种分布式基阵联合定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
三个以上的潜标基阵，获取多个时刻的舰船目标的辐射噪声，然后根据所述辐射噪声分别获取各自相对于舰船目标的方位角序列{θi(n)}，其中，潜标基阵的个数用M来表示，i＝1,2,3…,M，n＝1,2,…,N，N为方位角序列的长度；
获取由各潜标基阵对应的方位角序列拟合得到的方位角直线，其中，M个潜标基阵的方位角直线两两相交，得到
Figure FDA0003810260560000011
个交点；
获取各交点横坐标的方差
Figure FDA0003810260560000012
与纵坐标的方差
Figure FDA0003810260560000013
其中，
Figure FDA0003810260560000014
获取舰船目标的位置坐标，其中，舰船目标的横坐标的获取方法为：分别获取各交点横坐标的方差的倒数与自身横坐标值的乘积，所得乘积再求和，所得和值再除以各交点横坐标的方差的倒数之和；舰船目标的纵坐标的获取方法为：分别获取各交点纵坐标的方差的倒数与自身纵坐标值的乘积，所得乘积再求和，所得和值再除以各交点纵坐标的方差的倒数之和。
2.如权利要求1所述的一种分布式基阵联合定位方法，其特征在于，任意一个所述交点横坐标的方差
Figure FDA0003810260560000015
与纵坐标的方差
Figure FDA0003810260560000016
的获取方法具体为：
获取交点j的坐标(xj,yj)，其中，xj为横坐标，yj为纵坐标；
将交点所在的两条方位角直线对应的方位角序列分别记为{θt(n)}与{θk(n)}；
获取方位角序列{θt(n)}与{θk(n)}对应的方位角方差
Figure FDA0003810260560000017
与
Figure FDA0003810260560000018
根据所述方位角方差
Figure FDA0003810260560000019
与
Figure FDA00038102605600000110
交点的坐标确定交点横坐标的方差
Figure FDA00038102605600000111
与纵坐标的方差
Figure FDA00038102605600000112
具体的：
Figure FDA0003810260560000021
Figure FDA0003810260560000022
其中，θt为方位角序列{θt(n)}中的第N个方位角θt(N)，θk为方位角序列{θk(n)}中的第N个方位角θk(n)。
3.如权利要求2所述的一种分布式基阵联合定位方法，其特征在于，所述方位角序列{θt(n)}对应的方位角方差
Figure FDA0003810260560000023
的获取方法具体为：
令n从2遍历到N，通过下列三个公式逐点迭代计算方位角方差：
Figure FDA0003810260560000024
Figure FDA0003810260560000025
Figure FDA0003810260560000026
其中，α为预设参数，取值范围为0到1之间的值，且α越小，输出的方位角方差
Figure FDA0003810260560000027
越平滑，
Figure FDA0003810260560000028
与
Figure FDA0003810260560000029
的初值为远小于1的正数；
将第N个方位角θt(N)对应的方差
Figure FDA00038102605600000210
作为方位角序列{θt(n)}对应的方位角方差
Figure FDA00038102605600000211
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JP4237256B2 (ja) * 1996-02-29 2009-03-11 シーメンス メディカル ソリューションズ ユーエスエイ インコーポレイテッド 超音波トランスジューサ
CN105182347B (zh) * 2015-08-05 2017-06-20 中国人民解放军91388部队 一种基于小孔径基阵的高精度水下目标被动定位方法
CN106199519A (zh) * 2016-07-26 2016-12-07 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 一种超短基线五基元立体空间基阵及其水声定位方法
CN106546957A (zh) * 2016-10-25 2017-03-29 中国海洋石油总公司 一种用于任意平面多元阵的超短基线定位方法
CN106556837A (zh) * 2016-11-09 2017-04-05 哈尔滨工程大学 一种用于四元空间阵的超短基线定位方法
CN107505598A (zh) * 2017-08-01 2017-12-22 南京理工大学 一种基于三基阵的空中炸点定位方法

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